micro-USB USB介面 智慧手機 智慧型手機 Smart Phone USB 充電器

micro-USB埠躍升連接器首選 手機附件檢測難度漸增

2011-06-01
手機出貨量逐年遞增,其 中以智慧型手機的增長速度最為迅速。智慧型手機擁有更多特性功能與應用軟體,能夠使用各種周邊附件,所以未來不同周邊附件的數量也將不斷增加。
新型手機的設計挑戰在於如何連接所有這些新的附件,以及如何檢測出連接附件的類型。目前市場及技術標準的發展方向是統一手機介面,只是檢測各種附件的方法,仍是有待解決的問題。

micro-USB埠攻占連接器第一

過去,手機製造商都各自開發自己的專有介面來控制映射到連接器上的訊號。這些專有連接器一般範圍很廣,可透過連接器上的不同接腳,連接許多不同的附件,如通用序列匯流排(USB)纜線、耳機和電池充電器。專用訊號接腳可減少對訊號切換的需求,並提供一個更受控的環境。

圖1 Micro-B型USB插頭
就如USB介面在電腦產業的首選連接器地位一樣,micro-USB埠也成為各種手機製造商的連接器選擇。中國大陸的工業及信息化部(MII)、開放行動終端平台(Open Mobile Terminal Platform, OMTP)及歐盟(EU)都制定相關規範和備忘錄(MOU),指明micro-USB介面當作充電和資料傳輸的連接器(圖1)。這一標準化措施帶來的好處很多,而充電器和資料線重複使用就是其中一項。

現時全球手機的平均週轉時間為6~24個月,所以這種標準化可大大減少專用充電器所造成的浪費。由於不必為每個電話提供一個的新的充電器,標準化還可以降低成本,並提高連接器元件產量,從而逐步降低元件價格。隨著標準介面的開發,IC元件製造商也在開發更高整合度、更具成本效益的解決方案,讓手機製造商能夠進一步降低成本。

許多製造商都開始採用微型USB作為附加功能的介面,包括附件充電變壓器(ACA)、基座(Docking Station)、工廠程式設計、視訊、耳機(有些附有遙控)和車用手機配件等,整合化則有助減低手機的尺寸和成本。

智慧型手機上另一個長期使用的標準介面是音訊插孔。其一般為3.5毫米(mm)插孔,與現在的各種音訊耳機相容。插座和插頭的各個部分有不同的訊號映射。不過,現在標準化機構如中國大陸MII和OMTP,也開始對此進行標準化。許多製造商利用單一micro-USB介面,或是micro-USB與3.5毫米音訊插孔的組合來提供所有的附件連接。

本節討論的發展趨勢主要是針對手機,但隨著市場的融合,其同樣適用於各種不同的可攜式設備,包括MP3播放器、個人多媒體播放器(PMP)和全球衛星定位系統(GPS)裝置。所有這些設備都使用資料、音訊和電源介面。

單一micro-USB處理多附件 檢測複雜性大幅提升

圖2 微型USB連接器訊號
採用單個micro-USB埠處理多附件多功能,無疑能夠帶來許多好處,但同時也增加複雜性:如何檢測手機埠插入的是哪一個附件。micro-USB連接器上只有五個接腳,其中還包括接地接腳,因此識別插入附件類型及其須連接手機內哪一個IC的方法不多。micro-USB連接器有以下五個接腳(圖2):VBUS(+5V)、D+和D資料線、ID(識別)以及接地。

USB標準組織已制定標準USB埠檢測的相關條文。USB標準下行埠(Standard Downstream Port, SDP)連接透過VBUS線上的5伏特(V)電壓,再利用D+和D-線上的簡單交握(Handshake)來檢測。

同樣地,充電下行埠(Charging Downstream Port, CDP)和專用充電埠(Dedicated Charging Port, DCP)也利用相同的接腳,通過類似的簡單交握操作來檢測。詳細說明可見USB電池充電規範修訂版1.2(USB Batter Charging Specification Revision 1.2)。

由於須檢測的附件很多,所以需要一種方法來對它們進行區分。其中一種檢測方法是在micro-USB埠上增加一個ID接腳(標準A型或標準B型USB埠均無此接腳),在USB On-The-Go(OTG)纜線插入時,ID接腳對地短路。CEA-936A規範(最近已取消)也採用該接腳來檢測兩種不同類型的汽車配件。

各式解決方案紛紛出籠

若要整合的附件超出標準USB集的數量,則必須利用這些接腳來進行額外的檢測。一種簡單的解決方案是在ID接腳上增加額外電阻檢測,也可結合VBUS線上的有效電壓以及D+和D-線上的電壓準位來使用。

USB電池充電工作組定義三個額外電阻為ID訊號上的負載,用於檢測輔助充電變壓器的不同狀態。這些數值以及OTG和汽車電阻數值,都相距甚遠,其間可以為耳機、視訊卡等其他附件增加額外的數值。

在ID線上增加更多附件還增生電氣考慮事項,帶來相關挑戰。增加更多的ID值來解碼,可讓電阻更接近,使各個值之間的區分更具挑戰性。透過使用附件中的精密電阻(1%),並仔細區隔開額外附件的電阻數值,可以應對這些挑戰。

要達成快速檢測,還得對ID線上的電容進行控制。如果電容太大,就需要更長時間才能將檢測測量穩定至正確數值。在大多數情況下,ID線上的連接器外毋須額外布線,從而可限制過大電容量。

然而,在某些應用中如耳機,可能需要一個控制來顯示狀態的變化,例如按下SEND/END鍵,這個控制可能靠近纜線的另一端放置,這會增加ID線上的電容。在這些存在額外電容的情況下,可能需要較長的檢測時間。

檢測完成後,須將訊號發送給正確的處理器介面,如USB收發器、UART或音訊設備。當需要多個連接介面時,也必須仔細考慮發送這些訊號到相應介面的開關。這些開關會給線路增加額外的電容與串聯電阻,並且可能影響訊號完整性。USB路徑應針對低電阻平衡進行優化,以防止過多衰減和低電容對變慢邊緣的數量構成限制,影響到USB眼狀圖性能。在設計音訊埠開關介面時,應盡量減低串聯電阻,以限制來自耳機/揚聲器負載的音訊訊號衰減的影響,並提供穩定的電阻電壓關係,以盡量減少整體諧波失真與雜訊。

將全部解決方案整合至單一IC

利用一個把上述解決方案都整合到一塊IC中的元件,例如快捷(Fairchild)具有自動選擇與埠檢測功能的USB埠多媒體開關FSA9280A(圖3),micro-USB埠就能夠在一個連接埠上連接多個附件,進而降低設備的材料清單,優化音訊和USB連接的性能。

圖3 快捷多媒體開關FSA9280A具有自動選擇和埠檢測功能的USB埠

把附件檢測與開關路由整合在一起,可帶來若干額外的好處,譬如可以提供所有路徑(或者只是關鍵路徑,例如用於初始工廠程式設計和用於充電的USB連接)的自動切換。在無附件連接時,這種整合式解決方案還具有自動進入低功率模式的優點,同時此設備必須保持通電,即使在手機關斷時,仍然可以檢測到充電器為電池充電。

當手持式設備長時間處於斷電狀態時,低功耗性能對這類設備滿足待機時間要求至關重要。micro-USB開關(MUS)還整合VBUS場效電晶體(FET)開關,可以提供過電壓容差如28伏特,當VBUS接腳上載入高電壓時,可保護系統其餘部分免受充電器故障的影響。

這種解決方案提供一種簡單易用的USB檢測介面,可以在所有平台上進行設計,因此毋須針對所有手持式設備建立和測試一種新的解決方案。而利用備用的ID電阻值(利用手持式設備的韌體更新功能),也可以提供檢測新標準或專有附件的方面的靈活性。

本文討論的檢測解決方案可以讓智慧型手機把所有附件連接都匯聚在單一micro-USB連接上。而利用在單一封裝內整合檢測功能、開關和功率FET的低功耗介面,就可以為所有行動平台提供通過驗證的可靠解決方案。

(本文作者為快捷USB訊號路徑應用部門高級應用經理)

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